基于数字虚拟技术的环境艺术设计研究

陈增辉

摘  要： 由于对传统环境艺术进行设计时，存在对数字虚拟技术的过度依赖，因此，提出新的基于数字虚拟技术的环境艺术设计研究方法。深入考虑环境景观和环境形态两种环境艺术属性，获取图形以及影像图层，以三维环境区域的比例和尺寸为依据，获取环境区域的二维矢量图后，融合全部小角度拍摄获取的纹理，得到总体环境图像纹理，在此基础上采用Google Sketchup平台绘制虚拟环境初步模型;将二维矢量图嵌入到Google Sketchup平台内的地形和影像两个图层后，融合环境初步模型，构建三维环境景观模型。采用混沌式生成法，在三维环境景观模型的基础上，实现虚拟环境形态的混沌式生成，依据虚拟现实观，通过环境体验演变获取环境形态设计图。实验结果表明，所提方法的三维建模误差低于1.2%，环境艺术设计的逼真度、效率、成本指标都较优。

关键词： 环境艺术设计; 数字虚拟; 三维建模; 图层获取; 形态设计; 实验分析

中图分类号： TN919?34; TU986                  文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2020）04?0134?03

Design of environmental art based on digital virtual technology

CHEN Zenghui

（Guangdong Ocean University， Zhanjiang 524088， China）

Abstract： In allusion to the over?dependence on digital virtual technology in the design of traditional environmental art， a new research method of the environmental art design based on the digital virtual technology is proposed. Two kinds of environmental art attributes of environmental landscape and environmental form are deeply considered to obtain graphics and image layers. On the basis of the scale and size of the three?dimensional environment region， the two?dimensional vector image of the environment region is obtained， and the texture acquired from small angle shooting are fused to get the overall environment image texture. On this basis， the preliminary model of virtual environment is drawn by means of the Google Sketchup platform. The 2D vector image is embed into both the terrain layer and image layer in the Google Sketchup platform， the environment preliminary model is fused to build the 3D environment landscape model. The chaos generation of virtual environment form is realized based on the 3D environment landscape model by means of the chaos generation method. The design drawing of the environment form is obtained through the evolution of environmental experience according to the virtual reality view. The experimental results show that the 3D modeling error of the proposed method is lower than 1.2%， and the fidelity， efficiency and cost of environmental art design are better.

Keywords： environment art design; digital virtualization; 3D modeling; layer obtain; form design; experiment analysis

0  引  言

数字虚拟技术突破了环境艺术设计形式，它以信息技术为基础，对环境艺术设计进行创新[1]。近年来环境艺术设计的快速发展取决于数字虚拟技术的广泛应用，但由于对数字虚拟技术的过度依赖，使环境艺术设计欠缺深入思考，未能全面研究环境景观以及环境形态，导致环境艺术的设计质量较低[2]。

随着城市环境的快速发展，要求环境规划和建设所用时间必须缩短，由此提出一种环境三维景观快速建模方法[3]。该方法以Google Sketchup为平台，不仅提高了环境三维景观建模的效率，也降低了成本。因此本文提出新的基于数字虚拟技术的环境艺术设计方法，深入考虑环境艺术设计的环境景观和环境形态两种属性[4]，在Google Sketchup为平台获取三维环境景观模型的基础上，设计者采用虚拟现实技术和通过采用混沌式生成法，实现虚拟环境形态的混沌式生成，并通过虚拟现实观对环境体验的过程实现环境形态的构建，增强体验者对环境艺术设计效果的直观感受。

1  基于数字虚拟技术的环境艺术设计方法

1.1  三维景观模型构建流程

对环境三维模型进行构建常用Google Sketchup平台实现，采用该平台对Google Earth建模区域的地形和影像数据进行提取，采用Google Sketchup平台对环境进行三维建模，构建三维环境景观模型[5]，详细流程见图1。

1.1.1  二维矢量图编辑

原始图像的处理首先要去除没有价值的图层，保留数字虚拟环境三维景观所需要的湖泊、树木、草坪、道路等块状环境形态。为了保证Google Sketchup平台不受杂乱线性干扰，提高数字虚拟环境模型的整体效果，需将杂乱叠合的线类去除[6]，对块状环境形态进行查看，必须保证该块状环境形态是闭合状态、转角线不能相交等问题。

1.1.2  环境纹理与属性数据采集

使用专业数码相机拍摄真实环境，可使Google Sketchup平台内虚拟环境更具有真实效果。根据拍摄的环境图片也可有效提取虚拟环境的纹理信息和环境层数，对拍摄的环境图片进行编号处理并保存。使用图形编辑软件对拍摄环境照片中存在的角度问题进行处理[7]。为了保证虚拟环境纹理的完整性，需要按照所需环境进行摄像机角度选取。通过小角度拍摄正面的纹理，可解决受到不同遮挡物的干扰，导致摄像机无法获取完整环境图像的问题，再依据环境普通外表面的相似性属性，融合全部小角度拍摄获取的纹理，得到总体环境图像纹理[7]。

1.1.3  环境三维初步模型

为了保证虚拟环境三维初步模型的真实感，需对初步模型进行纹理贴图。纹理贴图分为两种情况：一种是对采集的真实纹理进行Photoshop处理后，对初步模型进行纹理贴图;另一种是一部分使用采集的真实纹理进行贴图，其余部分使用软件设置的纹理进行贴图。Google Sketchup平台自带纹理和材质编辑器[8]，使用起来方便简单，且只在个别位置使用真实纹理贴图，其余位置使用软件自带的纹理图，整体效果会更逼真，所以第二种情况的使用更为广泛。

1.1.4  三维环境景观构建

将获取的二维矢量图嵌入到Google Sketchup平台内的地形和影像两个图层，将这些进行数据调整，数据相匹配后，将构建完成的环境三维初步模型和其他辅助三维环境模型，都嵌入到环境三维景观模型中。该环境三维景观模型要以SKP格式进行保存，并把保存后的环境三维景观模型嵌入到Google Sketchup平台内，根据二维矢量图确定环境三维景观模型具体位置点[9]。当环境三维景观模型构建完成后，可使用Google Sketchup平台发送到Google Earth建模区域上进行浏览，也可在Google Sketchup view或其他平台上浏览。

1.2  基于虚拟现实的环境形态创作

依据三维环境景观模型进行环境艺术设计，要以虚拟现实的环境形态创作为基础，从客观存在的物理层面和主观审美的精神层面来认识环境形态，并对艺术观、审美观、技术观进行改革创新，图2为虚拟现实观图示。

1.3  基于虚拟现实观的环境形态混沌式生成

混沌式生成原理是在三维环境景观模型的基础上，以环境形态的局部开始，从整体环境的最下层到最上层进行设计，该设计方法称之为混沌式生成方法。荷兰物理学家洛伦兹曾经对气象变化数据进行绘制，并将绘制完成的图像嵌入到相位空间图内，原本杂乱无章的数据点组成了双螺旋线图，该图形轨迹永无交集，且运动永不停止。混沌模型示意图如图3所示。

由天气数据嵌入到相位空间图，引起的这一现象证明不确定数据流具有确定性特性，而随着初始环境内部的细微差异量的不断增大，使整体结果产生巨大差异。产生该差异的原理便是洛伦兹的“蝴蝶效应”原理。

混沌式生成方法对初始条件具有很高的辨识度，且具有感官随意，客观有序的特征。虚拟现实观是通过体验者对环境体验的过程实现环境形态的构建，该过程的混沌性较为明显[10]。

2  实验分析

某市打造以家庭娱乐为主题的公园，其占地面积68.2×104  m2，建造成本为300万元。

图4为本文方法设计的某城市公园环境三维效果图，由效果图可看出，整体环境形態效果逼真，布局合理，具有一定的艺术性。

为突出本文方法的优势，采用高空GIS三维建模方法、数字摄影三维建模方法进行对比测试，以实验公园三维建模误差为目标，三种方法误差对比结果见表1。

从表1中数据可知：本文方法对实验公园的三维建模误差均低于1.2%;高空GIS三维建模方法的三维建模误差在2.2%～3.6%之间;数字摄影三维建模方法的三维建模误差均高于4.1%。证明本文方法的三维建模误差小、精度高，为构建数字虚拟技术环境艺术设计三维模型提供有利的数据条件。

使用Zbrush三维建模软件对实验公园进行环境艺术设计，用时42天，环境艺术设计花费共计12万元。

为了验证本文方法在提高实验公园环境艺术设计的逼真度和效率，同时降低了设计成本，以相关性能数据为目标，对三种方法的艺术设计性能和Zbrush三维建模软件设计性能进行对比如表2所示。

从表2可知，本文方法设计实验公园环境艺术的逼真度平均值96.6%，设计效率相对于Zbrush三维建模软件提高的平均值为33.2%，相对于Zbrush三维建模软件的设计成本降低率平均值为38.9%。高空GIS三维建模方法和数字摄影三维建模方法，进行实验公园艺术设计的逼真度低于本文方法，且两种对比方法设计过程中相对于Zbrush三维建模软件的设计效率提高值、成本降低值都低于本文方法。说明本文方法可以有效地提高环境艺术设计的逼真度和效率，并且大幅度降低了艺术设计成本。

3  结  论

在数字虚拟技术基础上，对环境艺术进行设计，不仅提高了环境艺术设计的逼真度以及效率，并且降低了艺术设计成本。本文提出新的基于数字虚拟技术的环境艺术设计方法，深入考虑环境艺术设计过程中环境景观和环境形态两种环境艺术属性，采用Google Sketchup平台依据环境二维矢量图，结合小角度拍摄的环境纹理融合得到整体环境纹理，构建环境初步模型，获取构建三维环境景观模型。设计者采用混沌式生成法，实现虚拟环境形态的混沌式生成，并依据虚拟现实观实现环境体验，是环境艺术设计创新的一次重大突破，具有深远的意义。

参考文献

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[10] 杜召平，杜艳.一种基于虚拟仿真技术的三维态势显示系统设计[J].舰船科学技术，2018，40（9）：137?139.